Практическое занятие по молекулярной динамике

Цель данного занятия ознакомится с возможностями моделирования молекулярной динамики.

В этом занятии мы будем рользоваться пакетом молекулярной динамики Gromacs. Это программное обеспечение распостраняется под лицензией GPL, т.е. пользователь может скачать исходный код и свободен его изменять по своему усмотрению.

Общие положения

Подсказки по использованию оболчки bash в Linux.

Вы будете готовить файлы на машине с адресом 172.16.0.140.

Типы файлов:

• gro - файл с координатами системы.

• top - файл с описанием ковалентных и нековалентных взаимодействий в молекулах.

• mdp - файл с описанием параметров для работы молеклярно-механического движка.

• tpr - файл для молеклярно-механического движка по сути есть объединение gro, top и mdp.

• trr, xtc - файл с координатами после рассчета.

Основные программы из пакета, которые будут использованны на занятии:

Программы запускаются в командной строке Linux, флаги запуска программ начинаются с -, например -f. Как правило после флага следует либо имя файла либо значение параметра. Смотрите примеры ниже.

• editconf - манипуляция форматом координат и самими координатами. Пример:

editconf -f my.gro -o my.pdb

• genbox - наполнение ячейки растворителем.Пример:

genbox -cp my.gro -cs mysolvent.gro -p my.top -o my_solvated.gro

• genion - утилита для замены n молекул растворителя на ионы.

genion -s my.tpr -np 10 -p my.top -o my_ions.gro 
-np это добавить 10 положительно заряженых ионов

• grompp - объединение и проверка gro, top и mdp в tpr.

grompp -f my.mdp -c my.gro -p my.top

• mdrun - молеклярно-механический движок. На входе принимает tpr файл.

mdrun -deffnm my.tpr 
здесь параметр -deffnm означает, что выходные файлы будут называться как и входной файл, только с другими расщирениями

Объекты для практикума

На этом занятии Вам предлагается 5 различных систем для моделирования. Перейдите по ссылке для подробных инструкций по выполнению каждого задания.

• Моделирование самосборки липидного бислоя из случайной стартовой конформации.

• Моделирование проникновения гидрофобного дипепетида в липидный бислой.

• Моделирование поведения ДНК в формальдегиде.

• Моделирование перехода А-формы ДНК в В-форму в воде.

• Моделирование поведения короткого пептида в формальдегиде.

Анализ результатов

Пакет программ Gromacs предоставляет много инструментов для анализа траекторий и свойств динамики. Суть любого анализа сводится к пониманию специфики динамики конкретной системы.

Результаты анализа выдаваемые GROMACS имеют расширение xvg ( программа GRACE), но формат самих файлов текстовой, так что построение графиков можно делать в gnuplot,excel. Для gnuplot надо задать:

set datafile commentschars "#@&"

Часто в файлах есть более, чем два столбца построение первых двух столбцов в gnuplot тогда будет:

plot "file.xvg" using 1:2 with lines

Предлагаю называть результаты анализа согласно общему шаблону:

• Tool_system_param, где
  • Tool- это название программы которой проводили анализ
  • sytem- это либо b (бислой) либо dna (ДНК).
  • param- это некое дполнительное описание.

• Пример : g_rmsd_dna_1

Внимание ! Опции программы анализа вы можете узнать, набрав: имя_программы ?h

Для любой работы в отчет надо занести:

• Силовое поле используемое при построении топологии топологии.
• Заряд системы. Причины этого значения.
• Размер и форму ячейки.
• Минимизация энергии:
  • Алогритм минимизации энергии.
  • Алгоритм расчета электростатики и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
• Модель, которой описывался растворитель
• Утряска растворителя:
  • Для биополимеров, укажите параметр который обуславливает неподвижность биополимера.
  • Число шагов.
  • Длина шага.
  • Алгоритм расчета электростатики и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
  • Алгоритмы термостата и баростата.
• Основной расчет МД:
  • Время моделирования, количество процессоров, эффективность маштабирования.
  • Если моделирование окончилось с ошибкой, указать ошибку.
  • Длину траектории
  • Число шагов.
  • Длина шага.
  • Алгоритм интегратора.
  • Алгоритм расчета электростатики и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
  • Алгоритмы термостата и баростата.

Связи с тем, мы работаем с разными системами, то для каждой системы предлагается свой подход к анализу:

• Анализ результатов моделирование самосборки липидного бислоя
• Анализ результатов моделирование перехода А-формы ДНК в В-форму в воде
• Анализ результатов плавления ДНК в формамиде
• Анализ результатов плавления пептида в формамиде

Любой анализ начинают с визуального анализа движений молекул.

-- AndreyGolovin - 2011-04-27